CN110987754A - 煤层透气性原位测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种煤层透气性原位测量方法，属于煤岩透气性测量技术领域。本煤层透气性原位测量方法，包括以下步骤：步骤一、沿煤层打钻孔；步骤二、将支撑套管及其上的各封隔器送至钻孔内的一个设定位置；步骤三、通过第一高压气瓶对各封隔器充气使膨胀，通过第一压力表、数据记录仪观察压力至设定数值后关闭第一阀门；步骤四、通过第二高压气瓶向测量封闭空间注气，待检测压力达到设定数值保持稳定后关闭第二阀门，检测压力下降到稳定停止测量；步骤五、停止测量后，打开排气阀，将各封隔器内高压气体放气，待放气完毕后关闭排气阀，重复步骤二至步骤四；步骤六、计算。本发明的有益效果：实现对煤岩的煤层透气性系数的密集、快速、准确测量。

Description

煤层透气性原位测量方法

技术领域

本发明涉及煤岩透气性测量技术领域，特别是涉及一种煤层透气性原位测量方法。

背景技术

煤层透气性系数是反映瓦斯在煤层中流动难易程度的数值指标，是进行瓦斯抽放设计、瓦斯流动模拟分析、衡量煤与瓦斯突出危险性的重要参数，也是评价增透效果最直接的技术指标。煤层透气性有实验室测定法和原位(现场)测定法。由于受煤体内裂隙分布、应力、水分、温度以及取样、加工和分析过程的影响，实验室得到的煤样透气性系数与原始煤层的透气性系数相关性较差，所以实验室测定的结果通常作为现场测量的替代品用于模型验证等，而原位测定的结果作为实际运用的煤层透气性系数。

随着煤层透气性在瓦斯灾害预测防治及煤层气开发领域等应用的多样化，对快速、准确测定煤层透气性系数的需求越来越多，过去用一个点的透气性系数代表一个区域或一个煤层的透气性，现在抽放、消突、驱替等效果的精准评价则需要测定透气性分布，显然传统的测定方法已不能满足这样的要求，主要表现在：(1)测定效率低，一个钻孔只能测定一个点；(2)测定时间长，一般需要三周以上；(3)缺少快速测定的方法及其理论支持。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤层透气性原位测量方法，实现对煤岩的煤层透气性系数的密集、快速、准确测量。

本发明提供一种煤层透气性原位测量方法，该方法采用移动式快速煤岩透气性测量仪，移动式快速煤岩透气性测量仪包括支撑套管、左主封隔器、右主封隔器、左次封隔器、右次封隔器、第一高压气瓶、第二高压气瓶和数据记录仪；

支撑套管上设置左主封隔器和右主封隔器，左主封隔器和右主封隔器均环绕支撑套管布置，左主封隔器和右主封隔器之间留有间距；

支撑套管上于左主封隔器的外侧设置左次封隔器，支撑套管上于右主封隔器的外侧设置右次封隔器，左次封隔器和右次封隔器均环绕支撑套管布置，左次封隔器和左主封隔器之间留有间距，右次封隔器和右主封隔器之间留有间距；

第一高压气瓶经注气管路分别连接左次封隔器、左主封隔器、右主封隔器和右次封隔器，注气管路上设置有第一阀门，注气管路上且于第一阀门的外侧设置有第一压力表，注气管路上且于第一阀门的内侧连接有排气管路，排气管路上设置有排气阀；

第二高压气瓶连接测量管路的一端，测量管路的另一端位于左主封隔器和右主封隔器之间，测量管路上设置有第二压力表和第二阀门；

注气管路上且于第一阀门的内侧设置有第一压力传感器，左次封隔器和左主封隔器之间设置有第二压力传感器，右次封隔器和右主封隔器之间设置有第三压力传感器，左主封隔器和右主封隔器之间设置有第四压力传感器，数据记录仪分别信号连接第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器；

该方法包括以下步骤：

步骤一、沿煤层打钻孔并清洗钻孔内岩屑；

步骤二、通过导杆将支撑套管及其上的各封隔器送至钻孔内的一个设定位置；

步骤三、通过第一高压气瓶经注气管路对各封隔器充气使膨胀，通过第一压力表、数据记录仪观察压力至设定数值后关闭第一阀门；

步骤四、通过第二高压气瓶经测量管路向左主封隔器、右主封隔器、支撑套管外壁以及钻孔内壁共同围成测量封闭空间注气，待数据记录仪经第四压力传感器检测压力达到设定数值保持稳定后关闭第二阀门，数据记录仪持续经第四压力传感器检测压力下降到稳定停止测量；

在步骤三和步骤四过程中，数据记录仪经第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器检测测量封闭空间的是否漏气，若存在漏气则测量失效，需重新测量；

步骤五、停止测量后，打开排气阀，将各封隔器内高压气体通过排气管路放气，待放气完毕后关闭排气阀，重复步骤二至步骤四；

步骤六、由数据记录仪记录测量封闭空间内压力-时间曲线，对压力-时间曲线以

为纵坐标、测量时间t为横纵坐标进行坐标变换，求坐标变换后一次函数的斜率b，则煤层透气性系数λ计算如下，

其中，

α为常数，由钻孔长度和钻孔半径决定，

b为坐标变换后一次函数的斜率；L为钻孔长度，m；r_b为钻孔半径，m；V_t为测压区间体积，m³；P_t为时间t时的钻孔瓦斯压力，MPa；P₀为煤层原始瓦斯压力，MPa；P_s为标准状态的瓦斯压力，取0.1，Mpa。

进一步地，各封隔器均设置为气囊，气囊包括由内向外层叠设置的内气囊和外气囊，所述内气囊环绕支撑套管布置，所述外气囊环绕内气囊布置。

进一步地，所述内气囊由材料A制成，所述外气囊由材料B制成，材料A的硬度大于材料B的硬度。

进一步地，注气管路和测量管路均位于所述支撑套管的内部。

进一步地，注气管路分别连接有第一注气支管路、第二注气支管路、第三注气支管路和第四注气支管路，各注气支管路位于所述支撑套管的内部，支撑套管于各封隔器环绕的位置均开设有注气孔，注气支管路的末端连接所述注气孔；支撑套管于左主封隔器和右主封隔器之间的位置开设有测量孔，测量管路的另一端连接所述测量孔。

进一步地，数据记录仪分别经信号电缆连接第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器，连接第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器的信号电缆位于所述支撑套管的内部。

进一步地，支撑套管于左次封隔器和左主封隔器之间的位置、右次封隔器和右主封隔器之间的位置以及左主封隔器和右主封隔器之间的位置均开设有传感器探测孔，第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器装配于传感器探测孔，第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器的探测部位于所述支撑套管的外部。

进一步地，移动式快速煤岩透气性测量仪还包括导杆，所述导杆连接所述支撑套管。

进一步地，所述数据记录仪为计算机。

进一步地，第一高压气瓶和第二高压气瓶内填充的高压气体为氮气。

与现有技术相比，本发明的煤层透气性原位测量方法具有以下特点和优点：

本发明的煤层透气性原位测量方法，采用移动式快速煤岩透气性测量仪，测量操作简单，可以在一个钻孔内实施多点、快速测量，测量时间一般为10至30分钟，测量时间短，只需要通过排气阀将各封隔器放气即可实现测量点的切换，测量点切换速度快，测量过程对封隔器与钻孔内壁间的气密性实时检测，确保测量数据准确，实现对煤层透气性系数的密集、快速、准确测量。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例移动式快速煤岩透气性测量仪的结构示意图；

图2为图1中C-C剖面图；

图3为实施例移动式快速煤岩透气性测量仪中封隔器的结构示意图；

图4为测量封闭空间内压力-时间曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文的本发明的移动式快速煤岩透气性测量仪，将以较佳实施例，配合所附相关附图，作详细说明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1至图3所示，本实施例提供一种移动式快速煤岩透气性测量仪，包括支撑套管1、左主封隔器21、右主封隔器22、左次封隔器23、右次封隔器24、第一高压气瓶31、第二高压气瓶32、数据记录仪4和导杆等部件。

导杆连接支撑套管1，通过导杆将支撑套管1及其上的各封隔器送至钻孔内的设定位置。

支撑套管1上的中间位置设置左主封隔器21和右主封隔器22，左主封隔器21和右主封隔器22均环绕支撑套管1布置，左主封隔器21和右主封隔器22之间留有间距。

第一高压气瓶31和第二高压气瓶32内填充的高压气体为无毒无害的氮气。

第一高压气瓶31内高压气体经注气管路41使左主封隔器21、右主封隔器22充气膨胀，膨胀的左主封隔器21、右主封隔器22与钻孔紧密贴合。左主封隔器21、右主封隔器22、支撑套管1外壁以及钻孔内壁共同围成测量封闭空间。

支撑套管1上于左主封隔器21的外侧设置左次封隔器23，支撑套管1上于右主封隔器22的外侧设置右次封隔器24，左次封隔器23和右次封隔器24均环绕支撑套管1布置。左次封隔器23和左主封隔器21之间留有间距，右次封隔器24和右主封隔器22之间留有间距。

第一高压气瓶31内高压气体经注气管路41使左次封隔器23充气膨胀，膨胀的左次封隔器23、左主封隔器21与钻孔紧密贴合。左次封隔器23、左主封隔器21、支撑套管1外壁以及钻孔内壁共同围成左检测封闭空间。

第一高压气瓶31内高压气体经注气管路41使右次封隔器24充气膨胀，膨胀的右次封隔器24、右主封隔器22与钻孔紧密贴合。右次封隔器24、右主封隔器22、支撑套管1外壁以及钻孔内壁共同围成右检测封闭空间。

第一高压气瓶31经注气管路41分别连接左次封隔器23、左主封隔器21、右主封隔器22和右次封隔器24。注气管路41上设置有第一阀门51，注气管路41上且于第一阀门51的外侧设置有第一压力表61。根据第一压力表61的压力读数，操作人员通过第一阀门51控制向封隔器注气速率。

注气管路41上且于第一阀门51的内侧连接有排气管路43，排气管路43上设置有排气阀53。通过排气阀53可以将各封隔器内高压气体通过排气管路43放气，以实现测量点的切换。

第二高压气瓶32连接测量管路42的一端，测量管路42的另一端位于左主封隔器21和右主封隔器22之间，测量管路42上设置有第二压力表62和第二阀门52。第二高压气瓶32内的高压气体经测量管路42注入测量封闭空间内。根据第二压力表62的压力读数，操作人员通过第二阀门52控制向测量封闭空间的注气速率。

上述各封隔器(左主封隔器21、右主封隔器22、左次封隔器23和右次封隔器24)均设置为气囊，气囊包括由内向外层叠设置的内气囊A1和外气囊A2，内气囊A1环绕支撑套管1布置，外气囊A2环绕内气囊A1布置。其中，内气囊A1由材料A制成，外气囊A2由材料B制成，材料A的硬度大于材料B的硬度。

封隔器采用气囊，与水囊相比，气囊的膨胀和收缩速度快，提高了测量的效率。注入的气体为氮气，为无毒无害气体，保证了测量施工的安全。封隔器采用双层结构，内气囊A1的硬度较大，以承受高压气体且保持气囊设定的形状，外气囊A2的硬度较小，钻孔内壁不平整存在煤岩颗粒时，外气囊A2发生变形以包裹煤岩颗粒，使外气囊A2与钻孔内壁紧密贴合，提高了气囊与钻孔内壁之间的气密性。

本实施例中，注气管路41和测量管路42均位于支撑套管1的内部，以避免注气管路41和测量管路42在测量施工过程中受损。注气管路41分别连接有第一注气支管路411、第二注气支管路412、第三注气支管路413和第四注气支管路414。各注气支管路(第一注气支管路411、第二注气支管路412、第三注气支管路413和第四注气支管路414)位于支撑套管1的内部，以避免各注气支管路在测量施工过程中受损。支撑套管1于各封隔器(左主封隔器21、右主封隔器22、左次封隔器23和右次封隔器24)环绕的位置均开设有注气孔，注气支管路的末端连接注气孔。具体的，第一注气支管路411的末端连接左主封隔器21位置处的注气孔，第二注气支管路412的末端连接右主封隔器22，第三注气支管路413的末端连接左次封隔器23，第四注气支管路414的末端连接右次封隔器24。支撑套管1于左主封隔器21和右主封隔器22之间的位置开设有测量孔，测量管路42的另一端连接测量孔。

注气管路41上且于第一阀门51的内侧设置有第一压力传感器71，左次封隔器23和左主封隔器21之间设置有第二压力传感器72，右次封隔器24和右主封隔器22之间设置有第三压力传感器73，左主封隔器21和右主封隔器22之间设置有第四压力传感器74。

支撑套管1于左次封隔器23和左主封隔器21之间的位置、右次封隔器24和右主封隔器22之间的位置以及左主封隔器21和右主封隔器22之间的位置均开设有传感器探测孔。第二压力传感器72、第三压力传感器73和第四压力传感器74装配于传感器探测孔，第二压力传感器72、第三压力传感器73和第四压力传感器74的探测部位于支撑套管1的外部。

第一压力传感器71其第一个作用是在向各封隔器(左主封隔器21、右主封隔器22、左次封隔器23和右次封隔器24)充气时，确定各封隔器内的压力是否达到设定压力值，以使各封隔器与钻孔紧密贴合确保密封性，又不致于各封隔器因充气压力过大使封隔器爆裂；第二个作用是，在对各封隔器充气完成后，检测在测量施工过程中封隔器内的压力稳定(下降)情况，确定封隔器与钻孔之间接触面是否漏气，以分析封隔器与钻孔的密封性是否符合要求。此外，若某一封隔器发生破裂，第一压力传感器71的压力读数会快速下降，则测量失效。

即使封隔器内充入高压气体达到足够压力，但由于钻孔内壁局部位置不平整，不能确保左主封隔器21、右主封隔器22与钻孔之间的接触面不发生漏气。第二压力传感器72检测左检测封闭空间内的压力变化，第三压力传感器73检测右检测封闭空间内的压力变化。通过第二压力传感器72、第三压力传感器73来检测测量封闭空间的密封性。比如，当左主封隔器21与钻孔之间的接触面发生漏气，继续向测量封闭空间注气时，左检测封闭空间的压力会升高；当右主封隔器22与钻孔之间的接触面发生漏气，继续向测量封闭空间注气时，右检测封闭空间的压力会升高。此外，在初始向测量封闭空间内注气时，若左主封隔器21、右主封隔器22与钻孔之间的接触面存在少许泄漏(不影响测量)。此时，左次封隔器23和右次封隔器24实现了二次密封，减少测量封闭空间的气体泄漏。

通过第二高压气瓶32经测量管路42向测量封闭空间内注入高压气体，第四压力传感器74检测测量封闭空间内的压力变化。

数据记录仪8分别信号连接第一压力传感器71、第二压力传感器72、第三压力传感器73和第四压力传感器74。本实施例中数据记录仪8为计算机，数据记录仪8分别经信号电缆连接第一压力传感器71、第二压力传感器72、第三压力传感器73和第四压力传感器74。连接第二压力传感器72、第三压力传感器73和第四压力传感器74的信号电缆位于支撑套管1的内部，避免信号电缆在测量施工过程中受损。

数据记录仪8实时读取、记录各压力传感器的压力数据。

本实施例还提供一种煤层透气性原位测量方法，应用本实施例上述的移动式快速煤岩透气性测量仪，涂料无气喷涂方法包括以下步骤：

步骤一、采用顺层钻孔，沿煤层打钻孔并清洗钻孔内岩屑；

步骤二、通过导杆将支撑套管1及其上的各封隔器送至钻孔内的一个设定位置；

步骤三、打开第一阀门51，通过第一高压气瓶31经注气管路41对各封隔器充气使膨胀，通过第一压力表61、数据记录仪8观察压力至设定数值后关闭第一阀门51；

步骤四、打开第二阀门52，通过第二高压气瓶32经测量管路42向左主封隔器21、右主封隔器22、支撑套管1外壁以及钻孔内壁共同围成测量封闭空间注气，待数据记录仪8经第四压力传感器74检测压力达到设定数值保持稳定后关闭第二阀门52，数据记录仪8持续经第四压力传感器74检测压力下降到稳定停止测量；

在步骤三和步骤四过程中，数据记录仪8经第一压力传感器71、第二压力传感器72和第三压力传感器73检测测量封闭空间的是否漏气，若存在漏气则测量失效，需重新测量；

步骤五、停止测量后，打开排气阀53，将各封隔器内高压气体通过排气管路43放气，待放气完毕后关闭排气阀53，重复步骤二至步骤四，测量钻孔内的其他设定位置处煤层透气性系数计算所需数据；

步骤六、由数据记录仪8记录测量封闭空间内压力-时间曲线，如图4所示，对压力-时间曲线以

为纵坐标、测量时间t为横纵坐标进行坐标变换，求坐标变换后一次函数的斜率b，则煤层透气性系数λ计算如下，

其中，

α为常数，由钻孔长度和钻孔半径决定，

b为坐标变换后一次函数的斜率；L为钻孔长度，m；r_b为钻孔半径，m；V_t为测压区间体积，m³；P_t为时间t时的钻孔瓦斯压力，MPa；P₀为煤层原始瓦斯压力，MPa；P_s为标准状态的瓦斯压力，取0.1，Mpa。

本实施例的煤层透气性原位测量方法应用本实施例的移动式快速煤岩透气性测量仪，采用“顺层钻孔+移动式快速透气性测量仪+注气”的方式，实现对煤层透气性系数的密集、快速、准确测量，通过验证，与其他较复杂测量方法相比，测量结果基本一致。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种煤层透气性原位测量方法，其特征在于，该方法采用移动式快速煤岩透气性测量仪，移动式快速煤岩透气性测量仪包括支撑套管、左主封隔器、右主封隔器、左次封隔器、右次封隔器、第一高压气瓶、第二高压气瓶和数据记录仪；

支撑套管上设置左主封隔器和右主封隔器，左主封隔器和右主封隔器均环绕支撑套管布置，左主封隔器和右主封隔器之间留有间距；

支撑套管上于左主封隔器的外侧设置左次封隔器，支撑套管上于右主封隔器的外侧设置右次封隔器，左次封隔器和右次封隔器均环绕支撑套管布置，左次封隔器和左主封隔器之间留有间距，右次封隔器和右主封隔器之间留有间距；

第一高压气瓶经注气管路分别连接左次封隔器、左主封隔器、右主封隔器和右次封隔器，注气管路上设置有第一阀门，注气管路上且于第一阀门的外侧设置有第一压力表，注气管路上且于第一阀门的内侧连接有排气管路，排气管路上设置有排气阀；

第二高压气瓶连接测量管路的一端，测量管路的另一端位于左主封隔器和右主封隔器之间，测量管路上设置有第二压力表和第二阀门；

注气管路上且于第一阀门的内侧设置有第一压力传感器，左次封隔器和左主封隔器之间设置有第二压力传感器，右次封隔器和右主封隔器之间设置有第三压力传感器，左主封隔器和右主封隔器之间设置有第四压力传感器，数据记录仪分别信号连接第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器；

该方法包括以下步骤：

步骤一、沿煤层打钻孔并清洗钻孔内岩屑；

步骤二、通过导杆将支撑套管及其上的各封隔器送至钻孔内的一个设定位置；

步骤三、通过第一高压气瓶经注气管路对各封隔器充气使膨胀，通过第一压力表、数据记录仪观察压力至设定数值后关闭第一阀门；

步骤四、通过第二高压气瓶经测量管路向左主封隔器、右主封隔器、支撑套管外壁以及钻孔内壁共同围成测量封闭空间注气，待数据记录仪经第四压力传感器检测压力达到设定数值保持稳定后关闭第二阀门，数据记录仪持续经第四压力传感器检测压力下降到稳定停止测量；

在步骤三和步骤四过程中，数据记录仪经第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器检测测量封闭空间的是否漏气，若存在漏气则测量失效，需重新测量；

步骤五、停止测量后，打开排气阀，将各封隔器内高压气体通过排气管路放气，待放气完毕后关闭排气阀，重复步骤二至步骤四；

步骤六、由数据记录仪记录测量封闭空间内压力-时间曲线，对压力-时间曲线以

为纵坐标、测量时间t为横纵坐标进行坐标变换，求坐标变换后一次函数的斜率b，则煤层透气性系数λ计算如下，

其中，

α为常数，由钻孔长度和钻孔半径决定，

b为坐标变换后一次函数的斜率；L为钻孔长度，m；r_b为钻孔半径，m；V_t为测压区间体积，m³；P_t为时间t时的钻孔瓦斯压力，MPa；P₀为煤层原始瓦斯压力，MPa；P_s为标准状态的瓦斯压力，取0.1，Mpa。

2.根据权利要求1所述的煤层透气性原位测量方法，其特征在于：各封隔器均设置为气囊，气囊包括由内向外层叠设置的内气囊和外气囊，所述内气囊环绕支撑套管布置，所述外气囊环绕内气囊布置。

3.根据权利要求2所述的煤层透气性原位测量方法，其特征在于：所述内气囊由材料A制成，所述外气囊由材料B制成，材料A的硬度大于材料B的硬度。

4.根据权利要求1所述的煤层透气性原位测量方法，其特征在于：注气管路和测量管路均位于所述支撑套管的内部。

5.根据权利要求4所述的煤层透气性原位测量方法，其特征在于：注气管路分别连接有第一注气支管路、第二注气支管路、第三注气支管路和第四注气支管路，各注气支管路位于所述支撑套管的内部，支撑套管于各封隔器环绕的位置均开设有注气孔，注气支管路的末端连接所述注气孔；支撑套管于左主封隔器和右主封隔器之间的位置开设有测量孔，测量管路的另一端连接所述测量孔。

6.根据权利要求1所述的煤层透气性原位测量方法，其特征在于：数据记录仪分别经信号电缆连接第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器，连接第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器的信号电缆位于所述支撑套管的内部。

7.根据权利要求6所述的煤层透气性原位测量方法，其特征在于：支撑套管于左次封隔器和左主封隔器之间的位置、右次封隔器和右主封隔器之间的位置以及左主封隔器和右主封隔器之间的位置均开设有传感器探测孔，第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器装配于传感器探测孔，第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器的探测部位于所述支撑套管的外部。

8.根据权利要求1所述的煤层透气性原位测量方法，其特征在于：移动式快速煤岩透气性测量仪还包括导杆，所述导杆连接所述支撑套管。

9.根据权利要求1所述的煤层透气性原位测量方法，其特征在于：所述数据记录仪为计算机。

10.根据权利要求1所述的煤层透气性原位测量方法，其特征在于：第一高压气瓶和第二高压气瓶内填充的高压气体为氮气。

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